第一章 化工设备基础

《化工设备操作与维护》第一章化工设备基础

第一章化工设备基础目录

1

化工生产对化工设备的基本要求

2化工容器结构与分类

3化工设备常用材料

4金属材料的腐蚀与防护

第一节化工生产对化工设备的基本要求

化工机械通常分为化工设备和化工机器两大类，化工设备指静止设备，如各种塔器、换热器等；化工机器指动设备，如各种压缩机、泵等。化工机械分类：

第一节化工生产对化工设备的基本要求

一、化工生产的特点1.生产的连续性强

2.生产的条件苛刻

（1）介质腐蚀性强（2）温度和压力变化大（3）介质大多易燃易爆有毒性

3.生产原理的多样性

4.生产的技术含量高

第一节化工生产对化工设备的基本要求

二、化工生产对化工设备的基本要求1.安全性能要求（1）足够的强度（2）良好的韧性（3）足够的刚度和抗失稳能力（4）良好的抗腐蚀性（5）可靠的密封性

2.工艺性能要求（1）达到工艺指标（2）生产效率高、消耗低

第一节化工生产对化工设备的基本要求

二、化工生产对化工设备的基本要求

3.使用性能要求（1）结构合理、制造简单（2）运输与安装方便（3）操作、控制、维护简便

4.经济性能要求

在满足安全性、工艺性、使用性的前提下，应尽量减少化工设备的基建投资和日常维护、操作费用，并使设备在使用期内安全运行，以获得较好的经济效益。

第二节化工容器结构与分类一、化工容器的基本结构在化工类工厂使用的设备中，有的用来贮存物料，如各种储罐、计量罐、高位槽；有的用来对物料进行物理处理，如换热器、精馏塔等；有的用于进行化学反应，如聚合釜，反应器，合成塔等。但它们都有一个外壳，这个外壳就叫化工容器。所以化工容器是化工生产中所用设备外部壳体的总称。

第二节化工容器结构与分类由于化工生产中，介质通常具有较高的压力，化工容器一般由筒体、封头、支座、法兰及各种容器开孔接管所组成，通常为压力容器一、化工容器的基本结构

图1-1化工容器的总体结构1-法兰；2-支座；3-封头拼接焊缝；4–封头；5-环焊缝；6-补强圈；7-人孔；8-纵焊缝；9-筒体；10-压力表；ll-安全阀；12-液面计

第二节化工容器结构与分类

1.筒体筒体是化工设备用以储存物料或完成传质、传热或化学反应所需要的工作空间，是化工容器最主要的受压元件之一，其内径和容积往往需由工艺计算确定。圆柱形筒体(即圆筒)和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。

2.封头根据几何形状的不同，封头可以分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种，其中以椭圆形封头应用最多。封头与筒体的连接方式有可拆连接与不可拆连接(焊接)两种，可拆连接一般采用法兰连接方式。一、化工容器的基本结构

第二节化工容器结构与分类一、化工容器的基本结构

3.密封装置化工容器上需要有许多密封装置，如封头和筒体间的可拆式连接，容器接管与外管道间的可拆连接以及人孔、手孔盖的连接等，可以说化工容器能否正常安全地运行在很大程度上取决于密封装置的可靠性。

4.开孔与接管化工容器中，由于工艺要求和检修及监测的需要，常在筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。

第二节化工容器结构与分类一、化工容器的基本结构

5.支座化工容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同，化工容器支座分立式支座和卧式支座两类；其中立式支座又有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座四种。大型容器一般采用裙式支座。卧式容器支座有支承式、鞍式和圈式支座三种；以鞍式支座应用最多。而球形容器多采用柱式或裙式支座。

6.安全附件由于化工容器的使用特点及其内部介质的化学工艺特性，往往需要在容器上设置一些安全装置和测量、控制仪表来监控工作介质的参数，以保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。化工容器的安全装置主要有安全阀、爆破片、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等。

第二节化工容器结构与分类二、化工容器与设备的分类

从不同的角度对化工容器及设备有各种不同的分类方法，常用的分类方法有以下几种：

1.按压力等级分按承压方式分类，化工容器可分为内压容器与外压容器。内压容器又可按设计压力大小分为四个压力等级，具体划分如下：低压(代号L)容器0.1MPa<p<1.6MPa；中压(代号M)容器1.6MPa≤p<10.OMPa；高压(代号H)容器10MPa≤p<100MPa；超高压(代号U)容器P≥100MPa。外压容器中，当容器的内压小于一个绝对大气压(约0.1MPa)时又称为真空容器。

第二节化工容器结构与分类二、化工容器与设备的分类2.按原理与作用分根据化工容器在生产工艺过程中的作用，可分为反应容器、换热容器、分离容器、储存容器。

（1）反应容器(代号R)主要是用于完成介质的物理、化学反应的容器，如反应器、反应釜、聚合釜、合成塔、蒸压釜、煤气发生炉等。

（2）换热容器(代号E)主要是用于完成介质热量交换的容器。如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、加热器等。

（3）分离容器(代号S)主要是用于完成介质流体中不同组分分离的容器。如分离器、过滤器、蒸发器、集油器、缓冲器、干燥塔等。

（4）储存容器(代号C，其中球罐代号B)主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的容器。如液氨储罐、液化石油气储罐等。

第二节化工容器结构与分类二、化工容器与设备的分类

3.按相对壁厚分按容器的壁厚可分为薄壁容器和厚壁容器，当筒体外径与内径之比D/d≤1.2时,称为薄壁容器，D/d＞1.2时,称厚壁容器。

4.按支承形式分当容器采用立式支座支承时叫立式容器，用卧式支座支承时叫卧式容器。

5.按材料分当容器由金属材料制成时叫金属容器；用非金属材料制成时，叫非金属容器。

6.按几何形状分按容器几何形状，可分为圆柱形、球形、椭圆形、锥形、矩形等容器。

第二节化工容器结构与分类二、化工容器与设备的分类

7.按安全技术管理分压力容器的危害性还与其设计压力P和全容积V的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危害程度以及容器品种的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为三类，级别最高的是第三类压力容器，具体情况参见《压力容器安全技术监察规程》。

第三节化工设备常用材料一、材料常用性能材料的性能可分为两类：工艺性能和使用性能。

工艺性能（制造性能）：反映材料在加工制造过程中所表现出来的特性。对应不同的制造方法，工艺性能分为铸造性能、锻造性能、焊接性能和切削加工性能等。材料工艺性能的好坏直接影响制造成本。

使用性能：反映材料在使用过程中所表现出来的特性，包括物理性能、化学性能和力学性能。物理性能是材料所固有的属性，包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和磁性等。化学性能是指材料抵抗各种化学介质作用的能力，包括高温抗氧化性、耐腐蚀性等。材料在外力作用下所表现出来的性能就显得格外重要，这种性能称为力学性能。包括强度、硬度、塑性、韧性、疲劳等。

第三节化工设备常用材料

一、材料常用性能

1.强度

强度反映材料在外力作用下抵抗破坏的能力。这里的破坏对应两种情况：一是发生较大的塑性变形，在外力去除后不能恢复到原来的形状和尺寸；另一种情况是发生断裂。不论哪一种情况发生，都将导致零部件不能正常工作。反映材料强度高低的数量指标有屈服点()和抗拉强度()。屈服点反映材料在外力作用下抵抗发生塑性变形的能力，越高则越不易发生塑性变形；抗拉强度反映材料在外力作用下抵抗发生断裂的能力，越高则越不易发生断裂。

第三节化工设备常用材料

2.塑性塑性反映材料在外力作用下发生塑性变形而不破坏的能力。如果材料能发生较大的变形而不破坏，则称材料的塑性好。常用的塑性指标有伸长率δ和断面收缩率ψ，δ和ψ的值越大，则材料的塑性越好。材料塑性的好坏，对零件的加工和使用都具有十分重要的意义。例如，低碳钢的塑性较好，可进行压力加工；普通铸铁的塑性很差，不能进行压力加工，但能进行铸造。同时，由于材料具有一定的塑性，不致因稍有超载而突然破断，这就增加了材料使用的安全可靠性。因此，对于材料的塑性指标是有一定要求的。

3.硬度硬度反映金属抵抗比它更硬物体压入其表面的能力。常用的硬度试验指标有布氏硬度和洛氏硬度两种。布氏硬度用HB表示，当压头为钢球时表示为HBS，当压头为硬质合金时表示为HBW；洛氏硬度用。HRA、HRB或HRC表示，常用HRC。一、材料常用性能

第三节化工设备常用材料一、材料常用性能

第三节化工设备常用材料二、钢的热处理

基本概念：热处理就是将钢在固态范围内加热到给定的温度，经过保温，然后按选定的冷却速度冷却，以改变其内部组织结构，从而获得所需要的性能的一种工艺。通过热处理可以充分发挥金属材料的潜力，改善金属材料的性能，延长使用寿命和节省金属材料。绝大部分重要的机械零件，在制造过程中都必须进行热处理。热处理分为普通热处理和表面热处理两大类，工艺过程是由加热、保温和冷却三个阶段组成。

普通热处理包括退火、正火、淬火、回火等；

表面热处理包括表面淬火、化学热处理等，这种热处理只改变工件表面层的成分、组织和性能。

第三节化工设备常用材料二、钢的热处理图

钢的热处理

第三节化工设备常用材料二、钢的热处理

1.退火和正火

退火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(炉冷、坑冷)的热处理工艺。正火是将钢加热到适当温度，保温一定时间，然后出炉空冷的热处理工艺。退火和正火主要用作预先热处理，目的是：软化钢材以利于切削加工；消除内应力以防止工件变形；细化晶粒，改善组织，为零件的最终热处理做好准备。

2.淬火和回火淬火是将钢加热到适当温度，保温一定时间后；快速冷却(水冷或油冷)的热处理工艺。淬火后的钢硬而脆，组织不稳定，而且有内应力，不能满足使用要求。因此，淬火后必须回火。

第三节化工设备常用材料二、钢的热处理按照温度范围不同，回火分为二类：低温回火、中温回火和高温回火。低温回火的回火温度范围为150～250℃，回火后的钢具有高硬度和高耐磨性，主要用于各种工具、滚动轴承、渗碳件和表面淬火件；中温回火的回火温度范围为350～500℃，回火后的钢具有较高的弹性极限和屈服强度，一定的韧性和硬度，主要用于各种弹簧和模具等；高温回火的回火温度范围为500～650℃，回火后的钢具有强度、硬度、塑性和韧性都较好的综合力学性能，广泛用于汽车、拖拉机、机床等机械中的重要结构零件，如各种轴、齿轮、连杆、高强度螺栓等。通常将淬火和高温回火相结合的热处理工艺称为调质处理。2.淬火和回火

第三节化工设备常用材料二、钢的热处理

3.表面热处理某些机械零件如齿轮、曲轴、活塞杆、凸轮轴等，工作时承受较大的冲击和摩擦，因此要求工件表层具有高的硬度、耐磨性以抵抗摩擦磨损，心部具有足够的塑性和韧性以抵抗冲击，即具有“外硬内韧”的性能。为满足这一要求，生产中广泛采用表面热处理。表面热处理方法有表面淬火和化学热处理。

（1）表面淬火表面淬火是将钢的表面快速加热至淬火温度，并立即快速冷却的淬火工艺。表面淬火后一般进行低温回火，以满足工件表层的高硬度、高耐磨性要求。表面淬火不改变钢表层的成分，仅改变表层的组织，且中心部组织及性能不发生变化。为满足对中心部的塑性和韧性要求，表面淬火前一般进行调质处理。表面淬火用于中碳钢和中低碳合金结构钢。

第三节化工设备常用材料二、钢的热处理

（2）化学热处理化学热处理是向工件表层渗入某种元素的热处理工艺。按照渗入元素的不同，化学热处理分为渗碳、渗氮(氮化)、碳氮共渗(氰化)、渗金属等。化学热处理渗碳是向工件表层渗入碳原子的热处理工艺，适用于低碳钢和低碳合金钢。渗碳后由于工件表层和中心部的含碳量不同，再经过淬火和低温回火热处理，便获得了外硬内韧的性能。渗氮是向工件表层渗入氮原子的热处理工艺。渗氮用钢大都含有Cr、Mo、A1、V等元素(如38CrMoAlA钢)，经渗氮后工件表层形成各种高硬度的、致密而稳定的氮化物如AlN、CrN、MoN等，从而使钢具有高的表面硬度、耐磨性和耐蚀性。中心部的塑性和韧性要求通过渗氮前的调质处理获得。

第三节化工设备常用材料三、金属材料在所有应用材料中，凡是由金属元素或以金属元素为主形成的、具有金属特性的物质称为金属材料；由两种或两种以上不同性质或不同组织的材料组合而成的材料称为复合材料；除金属材料和复合材料外的所有材料称为非金属材料。钢铁材料应用最广，占全部结构材料、零件材料和工具材料的90％左右。钢分为非合金钢(旧称碳钢)、低合金钢和合金钢三类,见图。

第三节化工设备常用材料三、金属材料钢的分类

第三节化工设备常用材料

1.碳钢碳钢是含碳量小于2.11％的铁碳合金。按钢的用途、质量等级等，将碳钢分为碳素结构钢、优质碳素结构钢和碳素工具钢等。（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号由代表屈服极限的字母“Q”(“屈”的汉语拼音字首)、屈服极限的数值(单位MPa)、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分顺序组成。例如，Q235A表示碳素结构钢，屈服极限为235MPa。碳素结构钢价格低廉，又具有良好的强度、塑性、焊接性、切削加工性等，在化工设备制造中应用广泛。（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号以钢中平均含碳量的万分数(两位数字)表示。如45表示优质碳素结构钢，平均含碳量为万分之四十五。三、金属材料

第三节化工设备常用材料

2.低合金钢低合金钢与合金钢是指在碳钢基础上有目的地加入某些元素所形成的钢种。常加入的元素有Si、Mn、Cr、B、W、V、Ni、Ti、Nb、Al等。钢中加入这些元素的目的是为了改善钢的性能，满足使用要求，这些元素称为合金元素。低合金钢的品种较多，其中低合金高强度结构钢广泛用于桥梁、船舶、车辆、锅炉、化工容器和输油管等。低合金高强度结构钢牌号表示方法与碳素结构钢相同，有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等三、金属材料

第三节化工设备常用材料低合金高强度结构钢用途举例三、金属材料

第三节化工设备常用材料3.合金钢三、金属材料合金钢的品种较多，有合金渗碳钢、合金调质钢、滚动轴承钢、不锈钢、耐热钢等。

4.有色金属在化学工业中经常遇到强腐蚀、低温等特殊生产条件，有色金属具有耐蚀性好、低温时塑性好和韧性高等特殊性能，因而在化工设备中经常采用有色金属及其合金，主要是铝、铜、铅及其合金。

第三节化工设备常用材料四、非金属材料非金属材料分无机材料(如陶瓷、搪瓷、玻璃等)和有机材料(如塑料、橡胶、涂料等)两大类。非金属材料具有优良的耐腐蚀性能，资源丰富，成型工艺简单，既可单独用做结构材料，又能用做金属设备的保护衬里、涂层，还可做设备的密封材料和保温材料。1.陶瓷在化工生产中用得较多的是耐酸陶瓷。耐酸陶瓷具有良好的耐腐蚀性能(耐酸、耐碱)，足够的不透性、耐热性和一定的机械强度，主要用做化工设备，如容器、反应器、塔附件、热交换器、泵、管道、管件等。

第三节化工设备常用材料

2.化工搪瓷化工搪瓷是由含硅量高的瓷釉经过900℃左右的高温烧成，瓷釉紧贴在金属胎表面。化工搪瓷具有优良的耐腐蚀性能，除氢氟酸、热磷酸和强碱外，能耐大多数无机酸、有机酸和有机溶剂的腐蚀。搪瓷的导热系数不到钢的1／40，热膨胀系数较大，故搪瓷设备不能直接用火焰加热以免损坏搪瓷面。可以用蒸汽或油浴缓慢加热。使用温度为-30～+270℃。化工搪瓷已用于反应罐、储罐、换热器、蒸发器、塔和阀门等。四、非金属材料

第三节化工设备常用材料3.玻璃化工上用的玻璃不是一般的钠钙玻璃，而是硼玻璃(耐热玻璃)或高铝玻璃。它们有良好的热稳定性和耐腐蚀性，在化工生产上用来做管道或管件，也可做容器、反应器、泵、热交换器、隔膜阀等。玻璃虽然有耐腐蚀、清洁、透明、阻力小、价格低等特点，但质脆，耐温度急变性差，不耐冲击和振动。目前已成功采用在金属管内衬玻璃或用玻璃钢加强玻璃管道，来弥补其不足之处。四、非金属材料

第三节化工设备常用材料

4.塑料以高分子合成树脂为主要原料，在一定条件下塑制而成的型材或产品总称为塑料。塑料的特点是密度小、电绝缘性好、耐腐蚀、具有优良的耐磨、减摩性能，吸振性和消声性也很好。塑料的品种繁多，应用广泛。在化工行业中常用的塑料有耐酸酚醛塑料、硬质聚氯乙烯、聚四氟乙烯等。以酚醛树脂作粘结剂，以耐酸材料(如石棉、石墨、玻璃纤维等)作填料制成耐酸酚醛塑料，用于制作各种化工设备及零部件，如容器、储槽、管道、泵等，塑料、农药、冶金等工业中应用较多。聚氯乙烯(PVC)是我国发展最早、产量最大的塑料品种之一。械强度高，电性能优良，耐酸碱的能力强，主要用做化工设备衬里及制作贮槽、离心泵、阀门管件等。

聚四氟乙烯(简称F-4)具有优异的绝缘性能，耐蚀性极好，能耐绝大多数的强酸、强碱、强氧化剂及溶剂等，故有“塑料王”之称，主要用做减摩耐磨件、密封件和耐蚀件，如填料、垫片和泵、阀的零件。四、非金属材料

第三节化工设备常用材料

5.橡胶橡胶具有高的弹性、一定的耐蚀性(有的品种耐油，有的品种能耐酸碱)、良好的耐磨性、吸振性、绝缘性以及足够的强度和积储能量的能力，在各行各业中均获得了广泛的应用，如胶鞋、胶管、运输带、各种轮胎、密封材料，减振零件等。橡胶的种类较多，在化工行业中主要用于衬里、密封件等。如丁基橡胶用于化工衬里，氯丁橡胶用于油罐衬、管道，氟橡胶用于化工衬里、高级密封件等。橡胶的主要缺点是老化，即橡胶制品长期存放或使用时，逐渐被氧化而产生硬化和脆性，甚至龟裂的现象。紫外线照射、重复的屈挠、温度升高等都会导致和促使橡胶老化而丧失弹性。四、非金属材料

第三节化工设备常用材料

6.涂料涂料用来涂在物体表面，然后固化形成薄涂层，起到保护和装饰等作用。传统的涂料称为油漆，但目前已出现少用或完全不用油漆，而改用各种树脂的涂料。在化工行业中涂料用来保护设备免遭大气及酸、碱等介质的腐蚀。多数情况下用于涂刷设备管道的外表面，也常用做设备内壁的防腐蚀涂层。防腐蚀上常用的涂料有防锈漆、底漆、大漆、酚醛树脂漆、环氧树脂漆等以及某些塑料涂料如聚乙烯涂料、聚氯乙烯涂料等。四、非金属材料

第四节金属材料的腐蚀与防护一、腐蚀基本概念

金属材料在周围介质的作用下发生破坏称为腐蚀。铁生锈、铜发绿锈、铝生白斑等是常见的腐蚀现象。在化工生产中，由于物料(如酸、碱、盐和腐蚀性气体等)往往具有强烈的腐蚀性，而化工设备被腐蚀将造成严重的后果：引起设备事故影响生产的连续性；造成跑冒滴漏，损失物料，增加原材料消耗；恶化劳动条件，提高产品成本，影响产品质量等。因此，化工设备的腐蚀与防腐问题必须认真对待。

第四节金属材料的腐蚀与防护二、腐蚀类型及机理

腐蚀的分类方法很多，其中按破坏特征分为均匀腐蚀和局部腐蚀；按腐蚀机理分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

1.均匀腐蚀均匀腐蚀是材料表面均匀地遭受腐蚀，腐蚀的结果是设备壁厚的减薄，如图a所示。这种腐蚀的危险性较小。碳钢在强酸、强碱中的腐蚀属于此类。（a）均匀腐蚀（b）区域腐蚀（c）点腐蚀（d）晶间腐蚀

第四节金属材料的腐蚀与防护2.局部腐蚀局部腐蚀是指金属的局部区域产生腐蚀，包括区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀等，如图(b)、(c)、(d)所示。局部腐蚀使零件有效承载面积减小，且不易被发现，常发生突然断裂，危害性较大。3.化学腐蚀化学腐蚀是指金属与干燥的气体或非电解质溶液产生化学作用引起的腐蚀。各种管式炉的炉管受高温氧化，金属在铸造、锻造、热处理过程中发生的高温氧化以及金属在苯、含硫石油、乙醇等非电解质溶液中的腐蚀均属化学腐蚀。二、腐蚀类型及机理

第四节金属材料的腐蚀与防护

4.电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属与电解质溶液产生电化学作用引起的腐蚀。金属在酸、碱、盐溶液、土壤、海水中的腐蚀属于电化学腐蚀。电化学腐蚀的特点是腐蚀过程中有电流产生。通常电化学腐蚀比化学腐蚀强烈得多，金属的破坏大多是由电化学腐蚀引起的。二、腐蚀类型及机理

电化学腐蚀---原电池作用示意图

电化学腐蚀过程中，其中的一极不断失去电子而被腐蚀，而另一极被保护。电化学腐蚀不仅发生在异种金属之间，同一金属的不同区域之间也存在着电位差，也可形成原电池，产生电化学腐蚀。例如，各种局部腐蚀就是电化学腐蚀。

第四节金属材料的腐蚀与防护三、材料防腐方法1.隔离腐蚀介质

金属防腐隔离材料有金属材料和非金属材料两大类。非金属隔离材料主要有涂料(如涂刷酚醛树脂)、块状材料衬里(如衬耐酸砖)、塑料或橡胶衬里(如碳钢内衬氟橡胶)等。